3D打印及后处理技术 课件 项目1 3D打印技术概况与应用

项目一：3D打印技术概况与应用3Dprintingtechnologysummaryandapplication3D打印及后处理技术项目一任务内容项目一引言项目一项目目标123CONTENTS目录课后作业4

1.项目一引言“3D打印技术概况与应用”，主要让同学们了解3D打印技术的发展过程，以及国内相关3D打印设备、行业发展概况，同时了解FDM、SLA、SLM、DLP、LCD等相关打印技术的工作原理及产品应用领域，了解3D打印行业领域与部分产品的生产过程。2.项目一任务内容内容1.23D打印技术分类与原理内容1.4增材制造技术的发展趋势与展望内容1.33D打印产品的应用领域内容1.13D打印技术的发展历程与现状项目内容3.项目目标介绍3D打印技术的分类目标1介绍不同3D打印技术的工作原理目标2介绍3D打印技术在实际生产应用中的优劣势目标3完成3D打印技术在各行业应用的学习目标4学习3D打印在各领域应用中的产品案例目标53.项目目标学习3D打印在应用中与传统制造工艺的区别目标6学习增材制造技术的发展瓶颈目标7学习增材制造技术的发展方向目标8学习增材制造技术的发展趋势目标9介绍增材制造技术发展的展望目标10任务1233D打印技术与传统制造技术的不同之处在哪？谈一谈3D打印未来的发展及展望。任务4.课后作业老师可根据授课目标进行总结!简述一到两种3D打印技术的发明时间及意义。任务任务123简述一到两种3D打印技术的优缺点。简述一到两种3D打印技术主要使用的耗材及特点。任务4.课后作业老师可根据授课目标进行总结!简述一到两种3D打印技术原理。任务任务123简述3D打印在珠宝行业中失蜡铸造流程。简述3D打印技术在随形水路模型应用中的优势。任务4.课后作业老师可根据授课目标进行总结!通过文献、互联网等途径，查阅3D打印技术在各领域的国内外最新研究和应用。任务任务123简述增材制造技术的发展方向是什么？简述增材制造技术的发展趋势是什么？任务4.课后作业老师可根据授课目标进行总结!简述如何使用3D打印进行硅胶模具的制作及注意事项。任务-谢谢聆听ENDTHANKS1.13D打印技术的发展历程与现状项目一TheDevelopmentHistoryandCurrentSituationof3DPrintingTechnology国内外3D打印发展历程与现状3D打印技术概述课后作业讨论交流1234CONTENTS目录1.3D打印技术概述

3D打印技术又被称为“增材制造技术”（AdditiveManufacturing）、“快速成型”(RapidPrototypingManufacturing)、“材料累加制造”（MaterialIncreaseManufacturing）等。3D打印技术是将CAD设计的模型数据通过切片处理再由打印设备逐层将材料成型，最终堆积出人们所期望的三维物体，是一个从无到有的过程。因此3D打印的全过程可由图1-1表示。图1-13D打印的全过程2.国内外3D打印发展历程与现状198319911992美国科学家查尔斯·胡尔（CharlesW.Hull）发明立体光固化成型技术（SLA）并制造出全球首个增材制造部件。美国Helisys公司研发的叠层实体制造技术（LOM）获得发明专利。同年，Helisys公司售出第一台叠层实体制造设备。美国DTM公司发布基于激光选区烧结（SLS）工艺的工业级设备，实现了粉末床熔融工艺的商业化。1.国外3D打印发展历程与现状199319952002美国麻省理工学院EmanualSachs教授提出的三维立体打印（3DP）技术获得专利。同年，EmanualSachs团队开发出基于3DP技术的增材制造设备。德国弗朗霍夫激光技术研究所（ILT）提出激光选区熔化（SLM）技术构想，随后获得专利授权。德国成功研制SLM增材制造设备，可成型接近全致密的精细金属零件和模具，其成型性能可达到同质锻件水平。2.国内外3D打印发展历程与现状201520162020欧盟发布《增材制造标准化路线图》，Materialise公司开始为空客公司提供增材制造部件。Carbon公司推出首款基于连续液态界面制造（ContinuousLiquidInterfaceProduction，CLIP）技术的增材制造设备。LCD和DLP技术就是CLIP技术。通用汽车公司（GM）新增加17台FDM设备投入生产呼吸机所需的工装夹具的生产中。20092014美国材料与试验协会成立增材制造标准委员会F42，开始进行增材制造技术标准的研究工作。HP公司发布多射流熔融（MJF）技术。1.国外3D打印发展历程与现状2.国内外3D打印发展历程与现状19932001国内首台工业级SLS设备研发成功，并于1994年获得专利。清华大学完成我国第一台双激光大型LOM设备和工艺的研究，实现了1400mm的汽车保险杠的LOM原型制造，开创了我国多激光协同扫描的增材制造技术。同年，清华大学开发的无模铸造（PCM）实现了第一个铸造砂型的3D打印。20052014北京航空航天大学王华明教授团队成功实现三种激光3D打印钛合金结构件在两种飞机上的装机应用，使我国成为世界上第二个掌握飞机钛合金结构件3D打印装机应用技术的国家。先临三维科技股份有限公司在“新三板”挂牌，成为我国第一家在“新三板”上市的增材制造企业。2.国内3D打印发展历程与现状2.国内外3D打印发展历程与现状20162018湖南华曙高科“光固化激光立体成型设备”获得欧盟CE认证。昆明理工大学增材制造中心超大3D打印钛合金复杂零件试制成功，成为当时使用SLM工艺成型的最大单体钛合金复杂零件。2019西安铂力特增材制造技术股份有限公司成为第一家科创板上市的增材制造企业，也是首批“科创板”上市企业中唯一一家增材制造企业。2.国内3D打印发展历程与现状2.国内外3D打印发展历程与现状2020年5月，我国完成首次太空增材制造实验，也是国际上首次在太空开展连续纤维增强复合材料增材制造实验如图1-2所示。2020年，国家发布多项增材制造行业标准，其中杭州喜马拉雅信息科技参与起草两项，标志着3D打印行业体系化、全流程、规范化、提升应用领域的经济效益，引领并规范行业的持续与健康发展。2.国内3D打印发展历程与现状3.讨论交流正确学习了解3D打印技术的历史进程，了解各项技术的发明时间以及背景，对3D打印行业产生的影响，学习目前有3D打印在各行业的应用与尝试。思考与探讨：同学们对未来3D打印技术的发展有何看法？任务1233D打印技术与传统制造技术的不同之处在哪？谈一谈3D打印未来的发展及展望。任务4.课后作业老师可根据授课目标进行总结!简述一到两种3D打印技术的发明时间及意义。任务-谢谢聆听ENDTHANKS1.23D打印技术分类与原理项目一ClassificationandPrinciplesof3DPrintingTechnology3D打印技术分类与原理概述1.3D打印技术分类与原理《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》中根据所用耗材和成型原理的差异，将主流3D打印技术分为以下几类：3D打印技术分类表

1.3D打印技术分类与原理熔融沉积成型技术（FDM）

FDM技术具体原理是将丝状的热熔性材料加热融化，同时材料喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地挤出涂敷在成型平台上，挤出的材料快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器成型平台下降一个分层厚度，继续成型下一层，直至完成整个实体模型。如图所示。FDM所用耗材比较廉价，不会产生毒气和化学污染的危险。但是FDM打印成型后表面较粗糙，需后续抛光处理。成型精度为±0.1mm。由于喷头做机械运动，成型速度较缓慢，而且同样需要支撑结构。很多人认为FDM价格低廉，因此在工业领域应用程度不高，并且相对初级，但是随着技术的不断提高，现在FDM技术不仅在工业领域有所应用而且能够制造出生产所需的金属零件。FDM成型原理立体光固化成型技术（SLA）

1.3D打印技术分类与原理

SLA的原理是选择性的使用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料（例如液态光敏树脂）表面，使之发生聚合反应，由点到线，再由线到面的顺序完成光敏树脂的固化，完成一个切片层的固化工作，然后成型平台在Z轴方向下降一个切片层厚度接着固化下一个切片层厚度。由此层层固化形成一个立体实体，如图所示。

SLA技术是最早出现的3D打印技术，成熟度高。其优点在于表面质量光洁度高、成型速度快、产品生产周期短、无需二次加工即可投入使用，可加工结构外形复杂或传统手段难以成型的原型和模具。但SLA系统造价高昂，使用和维护成本较高，使用环境要求较严格，对工艺人员以及操作人员技能要求较高，且制件多为树脂类，制件的强度、刚度、耐热性有局限。FDM成型原理

1.3D打印技术分类与原理光固化成型技术（DLP＆LCD）DLP与LCD技术采用相同的成型原理技术，都是采用投影技术将模型的切片图案投影到液态光敏树脂上固化截面图形范围内的光敏树脂，然后成型平台在Z轴方向上上升一个切片层厚度然后继续完成面固化以及粘接上一层已完成实体，由此层层面曝光固化光敏树脂形成三维实体，如图1-5所示。不同之处在于两种技术采用的光源技术不同，DLP采用数字光处理技术将图像进行投影；而LCD则是采用LCD显示屏将图像进行投影。而成型需使用较大功率紫外光会对光源造成损伤，所以相对于较便宜的DLP来说，LCD光源则属于易耗品。

光固化（DLP＆LCD）技术与SLA技术不同之处在于成型方式采用的面曝光技术，一次光源出光结束即固化一个切片层厚度。所以光固化（DLP＆LCD）技术在速度上远高于SLA技术。其次光固化（DLP＆LCD）设备光源固定稳定性高，可用于较为精细的零部件制造，如珠宝、齿科模具等。但由于光固化（DLP＆LCD）设备使用光源能源相较于SLA光源能源较低，所以光固化（DLP＆LCD）成型产品需要进行二次固化且强度低于SLA制件。且光固化（DLP＆LCD）设备成型尺寸较小无法成型尺寸较大的产品。光固化成型技术

1.3D打印技术分类与原理选择性激光烧结技术（SLS）

SLS技术大多采用λ（波长）为9.2μm至10μm的CO2激光器，是利用粉末状材料成型的，将粉末材料均匀地铺洒在成型平台上，并刮平；然后使用高强度的CO2激光器对每层预铺设的粉末材料进行烧结完成零件截面成型，并与已成型的部分进行粘接，完成当前切片层烧结后，成型平台在Z轴方向下降一个切片层厚度，铺粉系统进行烧结层粉末材料预铺设，激光器继续对未成型零件进行烧结。如图所示。SLS的优势在于可以采用多种材料，可成型造型复杂的零件，设计自由，材料利用率高，成型过程中无需支撑，与其他高分子成型技术相比成型件力学性能较好。但同样SLS技术的缺点也是明显的，例如制件结构疏松、多孔，具有内应力，成型过程中易变形。成型材料为陶瓷、金属粉末时后处理较为困难，同时SLS设备维护成本也较高。SLS成型原理

1.3D打印技术分类与原理选择性激光熔化技术（SLM）SLM技术原理与SLS技术相似，该技术大多采用λ（波长）为1.09μm的光纤维激光器。不过其采用的材料是金属粉末材料，将金属粉末均匀地铺洒在成型平台上，并刮平；然后使用高强度的CO2激光器对每层预铺设的金属粉末材料进行熔融完成零件截面成型，并与已成型的部分进行焊接，完成当前切片层熔化成型后，成型平台在Z轴方向下降一个切片层厚度，铺粉系统进行熔融层粉末材料预铺设，激光器继续对未成型零件进行熔融。如图所示。SLM成型金属件致密度可高达90%以上，各项机械性能指标优于铸件，甚至可达到锻件水平，相较于传统减材使用材料更少。而SLM技术成型速度较低，为了提高成型精度采用更薄的加工层厚，延长大量的成型时间，只适用于小批量生产，成型产品表面后处理较为繁琐复杂，SLM技术成型工艺也较为复杂，考虑因素较多，工件残余量较大，并且设备价格高昂。SLM成型原理

1.3D打印技术分类与原理三维立体打印（3DP）3DP技术与二维平面打印技术非常相似，打印喷头直接采用二维打印机喷头。3DP采用的成型材料也是粉末材料，和SLS不同的是，SLS是通过烧结将成型材料成型为一个实体，而3DP是通过喷头将粘接剂印刷到粉末材料上，从而一层一层将材料成型为一个实体。如图1-8所示。3DP主要优势是制造不可热熔材料3DP技术成型速度快，可成型尺寸较大、复杂结构的产品，使用材料广，无需支撑结构，且可以使用彩色粘合剂实现彩色打印成型。缺点在于成型制件需要进入烧结炉进行二次烧结，制件强度、韧性较差。3DP成型原理

1.3D打印技术分类与原理叠层实体制造技术（LOM）

叠层实体制造技术又称分层实体制造法，其原理是据零件分层几何信息切割耗材，将耗材通过粘接剂与上一层轮廓进行粘合，然后成型平台下降一个层厚高度，如此层层切割，层层粘接，最终形成实体零件。

LOM技术优点在于成型效率高、无需支撑、使用耗材成本较低，可制造较大的零件。但其成型方式相较于其他增材制造技术原材料浪费严重，对耗材存放要求较高，不能直接造塑料制件，工件在不做表面处理的情况下易吸水膨胀，成型制件表面具有较明显的台阶纹，且制件机械性能较低。3DP成型原理任务123简述一到两种3D打印技术的优缺点。简述一到两种3D打印技术主要使用的耗材及特点。任务2.课后作业老师可根据授课目标进行总结!简述一到两种3D打印技术原理。任务-谢谢聆听ENDTHANKS1.33D打印产品的应用领域项目一Applicationfieldsof3Dprintingproducts讨论交流3D打印产品的应用领域课后作业123CONTENTS目录1.3D打印产品的应用领域3D打印技术在工业制造领域的应用

3D打印技术在工业制造中面对对象广泛，涉及各行各业，如模具的生产制造、汽车、家电、航空航天、医疗仪器等一些结构件和功能件的小批量生产。3D打印技术在工业领域中主要被用于功能性的原型设计，并用于安装与装配测试、反馈后再对原型设计进行修正，实现小批量的零部件生产。在新产品的研发过程中，3D打印技术为设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式，可以快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型。也可用于复杂随形水路冷却模具的实际生产中。案例如图所示。3D打印工业领域应用案例1.3D打印产品的应用领域3D打印技术在医学领域的应用

医疗行业存在大量的定制化需求，难以进行标准化、大批量的生产，这恰恰是3D打印技术的优势，目前已可进行人体器官彩色模型打印，科学家们也在研究如何用3D打印技术打印胚胎干细胞和活体组织，目标是制造出能够直接移植到人体并且不产生排斥反应的可替换组织。目前3D打印技术已经可以制造用于手术规划的医用模型，用于铸造使用的牙科蜡模，人体可植入物、支架以及假体，以及个性化、修复等相关产品。如图所示。3D打印工业领域应用案例1.3D打印产品的应用领域航空航天领域集成了一个国家所有的高精尖技术，具有知识密集、技术密集、高风险、高附加值的特点。3D打印技术在航空航天的优势有节省材料、降低成本、零部件轻量化设计、工艺复杂产品一体化生产、降低产品生产周期等。如图所示。3D打印技术在航空航天领域的应用3D打印工业领域应用案例1.3D打印产品的应用领域3D打印技术在珠宝行业的应用目前3D打印技术在珠宝首饰制造中的应用主要分为两类：一类是直接打印成型，即直接采用3D打印技术直接打印贵金属；另一类则是间接应用，即通过3D打印出类蜡材料进行熔模母模制作，再通过失蜡铸造法间接制造金属首饰。通过间接制造金属首饰的方法目前在珠宝市场应用已非常成熟，通过3D打印蜡模可成倍提高生产效率。如图案例所示。珠宝行业应用案例1.3D打印产品的应用领域3D打印技术在其它领域的应用

3D打印技术除了在上述领域有广泛的应用以外，3D打印也在尝试贴近人们的生活。为了解决老年人的吞咽困难等问题，欧盟的14个国家利用3年时间使用3D打印技术设计出一整套的、自动化和个性化的Foodjet3D食物打印机。使用这种3D打印机，科学家已经能够模仿老年人的口味进行定制美食。此外3D打印巧克力也已进入市场，如图所示。定制美食3D打印巧克力1.3D打印产品的应用领域3D打印技术在其它领域的应用早在2013年，耐克开发了第一款3D打印运动鞋——名为“蒸汽激光爪（VaporLaserTalon）”的橄榄球鞋。2014年一月份耐克又推出了新款VaporCarbon2014精英版跑鞋，作为专门针对当年举办的第四十八届超级碗的NFL耐克银速系列（SilverSpeed）的一部分。同年2月，耐克公司推出了用3D打印技术开发的第三款VaporHyperAgility球鞋，如图1-16所示。其鞋底采用3D打印技术，重量轻，在草地上的抓地力表现非常优秀。VaporHyperAgility球鞋1.3D打印产品的应用领域3D打印技术在其它领域的应用

MYKITA是全球第一家以MYLON为品牌推出3D打印眼镜生产线的公司。公司以聚酰胺材料生产出带有优异耐久性的轻量化部件，如图所示。3D打印眼镜2.讨论交流正确的根据3D打印成型特点进行3D模型建模会更加利于模型的打印成型，更少的支撑结构，使模型打印更加节省材料，并且更加方便成型产品的后处理。那么，怎么设计三维模型可以更加利于打印成型呢?经验分享：3D建模的关键点之一在于基准面的选取与创建，建模设计过程中掌握不同位置的基准面建立，是实现复杂模型设计的基础。3.课后作业老师可根据授课目标进行总结!23任务1任务4任务任务通过文献、互联网等途径，查阅3D打印技术在各领域的国内外最新研究和应用。简述3D打印在珠宝行业中失蜡铸造流程。简述3D打印技术在随形水路模型应用中的优势。简述如何使用3D打印进行硅胶模具的制作及注意事项。-谢谢聆听ENDTHANKS1.4增材制造技术的发展趋势与展望项目一Introductionto3Dprintingequipmentsanditsparameters1.增材制造技术的发展趋势与展望增材制造技术的发展趋势与展望概述

增材制造作为今年来全球热门的先进制造技术，经过约半个世纪的发展，从实验室走入大众视野，并且逐步出现在我们的日常生活中。广泛应用于航空航天、医疗器械、建筑、汽车、能源、珠宝设计等领域。在《十三五规划》的推动下，于2016年4月成立全国增材制造标准化技术委员会(SAC/TC562)，随后由该组织逐步建立和完善的相关标准体系。截至目前，关于增材制造的标准（含起草、批准和已发布）共计50余项，现行标准共计15项，主要是从技术、原材料、专业术语层面进行基本规范。特别地，中国重视塑料、钛合金零件制造，着力发展熔积成型法（FDM）和选择性激光熔化(SLM)技术，此外还有针对医疗器械生产质量的标准。1.发展瓶颈(1)原材料制备技术

现阶段，除了SLA工艺所用原材料为液态的光敏树脂，其余工艺大都采用丝材和粉末材料，尤以粉末材料居多。常用的光敏树脂主要成分为丙烯酸树脂，光敏树脂的黏度略高，一次固化程度不足，还有一定的毒害性，这些都是需要改进的地方。在粉末材料方面，颗粒形状和粒度分布都有严格要求，金属粉末成分中的含氧量和含碳量也会对成形件性能产生很大影响。雾化法制备金属粉末可以获得粒度分布较均匀的量产球形粉，市场上已普遍使用，实验室内还常用机械粉碎法和旋转电极法来制造金属粉末。1.增材制造技术的发展趋势与展望增材制造技术的发展趋势与展望概述

(2)材料成形控制技术

增材制造实质上是一个积少成多、化零为整的制造过程，在此过程中，原材料之间的结合是关键，在此过程中通常会发生一系列的物理和化学变化。在SLA工艺中，光源照射液态树脂后会引发活性基团的聚合、交联和接枝反应，反应十分灵敏，最终使树脂变成固态。金属材料的成形是一个快速熔化和凝固的过程，过程中熔池的温度梯度很大，已成型部分存在较大热应力，随时可能出现孔洞、缝隙和开裂的现象。所以，如何控制成型过程中温度的分布是金属增材制造的一大关键技术。

（3）高效制造技术

成型件的大尺寸和高精度问题一直是增材制造业内两个重要的技术突破方向，但事实上要做到两者兼得并非容易。目前，市场上的铺粉设备工作平台一般都不大，主要原因在于光束经过振镜后只能精确控制在一定区域内形成能量密度均匀分布的光斑，所以如何提升光学部件的精度或实现多光束同步控制是一个发展方向。此外，增材制造是层层叠加成型三维实体，每一层的厚度、平整度以及层与层间的结合程度都直接影响成型件的稳定性和精度，这些都需要通过调整设备和工艺参数来完善。振镜还没有国产化，这个振镜也是光刻机的主要元器件。1.增材制造技术的发展趋势与展望增材制造技术的发展趋势与展望概述

（4）支撑技术

因为重力场的存在，一些形状复杂的成型件需要支撑结构，支撑部分在后期处理中需要去除，所以如何设计是一门学问。通常是在保证成形件制造过程中不失效的前提下，采用的支撑材料越少越好，例如设计成多孔结构。在金属增材制造技术中，支撑部分还会影响到整个部件的内应力分布，设计不当可能会发生成形件翘曲变形的现象。

（5）软件编程技术

个性化定制是增材制造技术的一大特点，但要用到工业生产，仍然需要考虑如何控制每个零件的质量达标，即生产质量的稳定性。在前已述及的硬件条件外，另一核心技术就是软件编程。国外的一些设备都会附有部分材料的工艺参数包，基本不需要任何编程，可以保证成形过程的稳定性，国内设备在这方面还有待提高。其它的研究工作主要是如何依靠软件技术来实现任意结构任意材料的预成形模拟，从而提升关键零部件的制造成功率。1.增材制造技术的发展趋势与展望增材制造技术的发展趋势与展望概述

目前在这些关键技术中，主要还存在如下技术瓶颈有待解决和突破。(1)成型材料主要依赖设备制造厂供应，适用的成型材料范围很有限，受制于设备厂商，难于适应市场的迫切需求。(2)成型材料的局限性导致难于成形真实